Ученые из института Макса Планка обратили внимание на «экзотические» взаимодействия атомов в конденсате Бозе-Эйнштейна, в которых участвует 3, 4 и более атомов. Ранее считалось, что могут происходить «столкновения» не более двух атомов одновременно.
Квантовая экзотика: Больше, чем ожидалось
«Всплески» и «провалы» поля волн материи Квантовая динамика конденсата Бозе-Эйнштейна, заключенного в оптическую решетку, демонстрирует необычные многоатомные взаимодействия. Изображение демонстрирует последовательность интерференционных картин, полученных с промежутком 40 микросекунд. Один динамический цикл выделен цветом (синий и оранжевый).

Каждая частица вещества может проявлять свойства волны. Такие волны называют «волнами материи», или волнами де Бройля. Подобно лазерному излучению, волны материи при крайне низких температурах, близких к абсолютному нулю, также могут проявлять когерентность, складываясь в некоторых точках пространства, в которых вероятность обнаружения атомов становится максимальной. Такое состояние вещества называют конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Группе ученых под руководством профессора Иммануэля Блоха (Immanuel Bloch) из Института квантовой оптики им. Макса Планка удалось заглянуть «за кулисы» межатомных взаимодействий и выявить сложную структуру их квантовой динамики. Упорядочив Бозе-конденсат при помощи оптической решетки, исследователи смогли наблюдать большое число «всплесков» и «провалов» на протяжении длительного периода времени. Результаты эксперимента говорят о том, что атомы взаимодействуют не только попарно (как до сих пор считалось), но и в количествах 3, 4 и более частиц одновременно. С одной стороны, эти исследования имеют фундаментальное значение для понимания физики квантовых систем многих тел. С другой стороны, они могут проложить путь для создания новых экзотических состояний материи, основанных на взаимодействии многих тел.

Эксперимент начался с охлаждения разреженного облака газа до температуры, близкой к абсолютному нулю. В этих условиях атомы образуют конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором все атомы находятся в одном квантовом состоянии. Далее на Бозе-конденсат накладывается оптическая решетка, каждую из «ячеек» которой в зависимости от интенсивности лазерного излучения одновременно может занимать один, два или более атомов (или же ни одного).

Использование данной «суперпозиции состояний количества атомов» является ключевым моментом нового принципа измерений, предложенного учеными. Динамику состояний количества атомов можно сравнить с раскачиванием маятника: как маятники с разной длиной плеча отличаются различными частотами колебаний, так и каждое состояние с различным числом атомов будет иметь собственную частоту. Эти частоты изменяются при взаимодействии между атомами. Если бы имели место только попарные взаимодействия, «маятники», соответствующие одинаковым количествам атомов, «раскачивались» бы синхронно, и их частоты были бы кратны частотам для двух взаимодействующих атомов.

Используя сложную экспериментальную установку, физики смогли проследить эволюцию налагающихся колебаний в различные моменты времени. Периодически интерференционная картина становилась видимой и снова исчезала, и так раз за разом. На основании её интенсивности и периодичности физики смогли однозначно заключить, что частоты колебаний на практике не являются кратными таковым при взаимодействии только двух атомов. Следовательно, в данном случае имеет место некий более сложный механизм.

Из-за сверхнизкой температуры атомы в каждой «ячейке» оптической решетки стремятся занять квантовое состояние, характеризующееся минимальным уровнем энергии. Тем не менее, принцип неопределенности Гейзенберга позволяет атомам совершать «скачок» через более высокие энергетические уровни во время их столкновения. На практике этот механизм приводит к столкновению трех, четырех и более атомов одновременно.

Результаты данной работы могут привести к более глубокому пониманию взаимодействия микроскопических частиц, что представляет интерес не только с точки зрения фундаментальных исследований, но и может быть применено для непосредственного изучения ультрахолодных атомов в оптической решетке: исключительная экспериментальная управляемость позволяет создавать «квантовые симуляторы» для моделирования конденсированных сред. Подобные квантовые симуляторы помогут достичь более глубокого понимания физики явлений сверхпроводимости и квантового магнетизма. Более того, каждая «ячейка» оптической решетки представляет собой миниатюрную лабораторию для создания экзотических квантовых состояний, экспериментальные установки с использованием оптических решеток могут оказаться наиболее чувствительным инструментом для изучения межатомных взаимодействий.

По пресс-релизу Max-Planck-Institut für Quantenoptik